WO2008059145A1 - Element de pont redresseur synchrone, pont redresseur synchrone correspondant et utilisation - Google Patents

Element de pont redresseur synchrone, pont redresseur synchrone correspondant et utilisation Download PDF

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rectifier bridge
synchronous rectifier
terminal
bridge element
charge pump
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Philippe Masson
Gaël BLONDEL
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Valeo Equipements Electriques Moteur
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Definitions

  • the present invention relates to a synchronous rectifier bridge element, in particular a bridge arm, and a voltage rectifier bridge comprising a plurality of this element.
  • the invention also relates to a rotating electrical machine using the same rectifier bridge.
  • Diode rectifier bridges such as that shown in FIG. 1, are well known in the state of the art.
  • junction diodes PIN, or Schottky
  • the document EP1347564 describes a three-phase synchronous rectifying bridge of this type, the schematic diagram of which is shown in FIG. 2.
  • the gates of the N-channel MOSFET transistors (insulated gate field effect transistor) or IGBT (bipolar transistor with isolated gate) operating in commutation are controlled according to the absolute value of the differences of voltages between phases in order to produce, at the output of the bridge, a DC voltage. It is also known from WO2004 / 034439 to control the
  • MOSFETs in linear mode in the on state that is to say to control linearly their internal resistance by means of servocontrol so as to simulate the behavior of ideal diodes.
  • ELECTRIC MOTOR discloses a method of controlling a MOS transistor, to be implemented in an electrical conversion bridge
  • the transistors of the known synchronous rectifiers require an additional supply and control circuit, and can not be used instead of a diode to transform an asynchronous rectifier bridge into a synchronous rectifier bridge.
  • the present invention therefore aims to integrate with the power components their power supply and their control in a single housing, so as to make possible the use of a synchronous rectifier bridge element in place of one or more diodes.
  • This element is of the type of those known per se comprising at least a first field effect transistor, whose first source and the first drain are respectively connected to the first and second connection terminals, and at least one first operational amplifier comprising a first feedback loop, the first output of which is connected to the first gate of the first transistor.
  • This amplifier is mounted as a comparator of at least a first voltage source having a predetermined reference voltage and from minus a first voltage difference between voltages applied to the first and second terminals.
  • the synchronous rectifier bridge element according to the invention is remarkable in that it further comprises a charge pump producing at least one of the supply voltages of the first amplifier from the voltages applied to the connection terminals.
  • the charge pump is controlled by an oscillator powered by the charge pump itself.
  • the synchronous rectifier bridge element according to the invention advantageously comprises a charging circuit of the charge pump when the average frequency or amplitude of at least one of the applied voltages is less than a predetermined value.
  • a synchronous rectifier bridge element comprising at least a second field-effect transistor whose second source and the second drain are connected respectively to the second connection terminal and to a third connection terminal, respectively, will be used.
  • a second operational amplifier having a second feedback loop, powered at least in part by the supply voltages generated by the charge pump, and whose second output is connected to the second gate of the second transistor .
  • This second amplifier is mounted as a comparator of a second voltage source having the same predetermined reference voltage and a second voltage difference between that of the applied voltages present on the second connection terminal and that of the applied voltages present on the third connection terminal.
  • the charge pump is preferably supplied, or not, between the first and third connection terminals as a function of the average value or the frequency of that of the applied voltages present on the second terminal. connection.
  • the second connection terminal of the element is advantageously connected to the third connection terminal by a shunt circuit, comprising a resistor, when the frequency of that applied voltages present on the second terminal is zero.
  • the synchronous rectifier bridge element according to the invention preferably comprises an additional connection terminal having a diagnostic signal indicating a failure of this element.
  • the synchronous rectifier bridge element is advantageously made in the form of an overmolded housing, having a metal base connected to the second or third connection terminal, and one or several connection grids. isolated connected to the first connection terminal and supporting the first transistor, or to the first and second terminals and supporting the first and second transistors.
  • the first amplifier and / or the second amplifier, the charge pump, and / or the oscillator, and / or the standby circuit, and / or the shunt circuit, and / or the diagnostic circuit. are realized in the form of one or more ASIC circuits (type of integrated circuit with specific application), preferentially a single ASIC circuit.
  • the invention also relates to a synchronous rectifier bridge remarkable in that it is constituted by one or more rectifier bridge elements having the above characteristics, as well as a rotating generator type electric machine incorporating at least one such synchronous rectifier bridge.
  • Figure 1 shows the conventional block diagram of a diode asynchronous three-phase rectifier bridge known from the state of the art.
  • Figure 2 shows the block diagram of a three-phase synchronous rectifier bridge using switching transistors known from the state of the art.
  • Figure 3 shows the block diagram of a control device of a MOS transistor known from the state of the art, and already implemented in an electrical conversion bridge.
  • Figure 4 shows the block diagram of a first preferred embodiment of the synchronous rectifier bridge element according to the invention.
  • Figure 5 shows the block diagram of a second preferred embodiment of the synchronous rectifier bridge element according to the invention.
  • Figure 6 shows the block diagram of the second preferred embodiment of the synchronous rectifier bridge element according to the invention.
  • Figure 7 shows schematically the structure of an integrated circuit corresponding to the second preferred embodiment of the invention.
  • Figure 8 is a schematic view of a three-phase rotating electrical machine incorporating a rectifier bridge consisting of three bridge elements according to the second embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a three-phase rectifier bridge 1 producing a positive DC voltage B + with respect to the ground from the voltages alternatives to the terminals P1, P2, P3 of the windings 2 of a three-phase alternator.
  • the alternator operates at low voltage so as to provide, after rectification, a DC voltage B + of the order of 14V supplying the battery and the onboard network.
  • the voltage drop across the diodes in the forward direction, of the order of 0.7V, causes in the supply circuit a large relative voltage drop of the order of 10%.
  • the diodes 1 of the previous assembly are replaced by N-channel MOSFET transistors 3 operating in switching mode.
  • the very low resistance of the MOSFET transistors 3 in the on state causes the phase winding circuit 2 to cause additional voltage drops of the order of a few tens of millivolts.
  • the MOSFET transistors 3 are controlled "everything" or "nothing” by switching voltages applied to their gates 4 by control circuits. 5 operating in a binary manner.
  • control circuits 5 in binary mode by control circuits 6 of the MOSFET transistors in linear mode, such as that represented in FIG. 3, so as to make the voltage Vds between the drain constant. D1 and source S1, or to minimize charge accumulation during the on state.
  • the control circuit 6 in linear mode comprises an operational amplifier 7 mounted as a comparator of a reference voltage source Uref and the drain-source voltage Vds, and whose output 8 is connected by a resistor R " at the gate 9 of the MOSFET 10.
  • the operational amplifier 7 comprises a feedback loop constituted by an RC circuit
  • the operational amplifier 7 is powered by voltage sources connected to its positive power supply terminal V + and its negative power supply terminal V- having sufficient levels, with respect to the drain potentials D1 and source S1, so that the output voltage effectively controls the gate 9 of the N-channel MOSFET transistor 10.
  • MOSFET transistors 3.10 can not simply replace the rectifying diodes 1.
  • the invention thus consists in providing the supply V +, V- of the linear control circuit 6 of the N-channel MOSFET transistor 10, or several parallel, from the terminal voltage D1, S1 thereof.
  • the assembly having an independent power supply, it constitutes a synchronous rectifier bridge element 1 1 between a first connection terminal D1 and a second connection terminal S1 which transparently replaces a rectifying diode whose anode is the first terminal D1, and the cathode the second terminal S1.
  • a charge pump 12 in parallel on the connection terminals D1, S1 generates the high VH and low VL supply voltages required by the operational amplifier 7 of the control circuit 6.
  • the charge pump 12 is controlled by an oscillator 13, itself powered by the voltages VH, VL generated.
  • a second preferred embodiment of the invention is a synchronous rectifier bridge element 14, of which FIG. 5 gives the block diagram, transparently replacing a diode asynchronous rectifier bridge arm, such as that shown in FIG.
  • the element 14 thus comprises three connection terminals: a first connection terminal B + corresponding to the positive pole of the rectifier bridge, a second terminal P connected to one of the phases of the alternator, and a third terminal B- which is generally to the mass.
  • the replacement mounting of the diode bridge arm comprises a first N-channel MOSFET transistor 15, or more in parallel, whose drain 16 is connected to the first connection terminal B +, and whose source 17 is connected to the second connection terminal P.
  • the gates 21, 22 of the first and second MOSFET transistors 15, 18 are each controlled by a control circuit 23, 24 such as that represented in FIG. 3.
  • the control circuits 23, 24 are powered by a charge pump 25 generating high VH and low VL supply voltages from the voltage between the first B + and the third B- terminal.
  • the high supply voltage VH supplies the positive supply terminal V + of the first control circuit 23, the negative supply terminal V- of which is connected to the second connection terminal P.
  • the low supply voltage VL feeds the positive supply terminal V + of the second control circuit 24, whose negative supply terminal V- is connected to the third connection terminal B-.
  • This charge pump 25 is controlled by an oscillator 26 powered itself by the supply voltages VH, VL generated.
  • a standby circuit 27 of the charge pump 25 operates according to the average amplitude of the voltage taken by a bridge of resistors 28 between the second connection terminal P, that is to say the phase terminal , and the third connection terminal B-, that is to say, in general, the mass.
  • the standby circuit 27 isolates the charge pump 25 from the first B + terminal. This undervoltage protection makes it possible to deactivate the synchronous rectification if the voltage at the terminals of the alternator is not sufficient to ensure correct control of the transistors 15,18, which could lead to their destruction.
  • Stopping the charge pump 25 is also advantageously triggered when the frequency of the phase voltage is below a minimum frequency.
  • the synchronous rectifier bridge element 14 behaves as a conventional diode bridge thanks to the parasitic diodes of the MOSFET transistors 15, 18.
  • control circuits 23, 24 of the MOSFET transistors provide the grounding of the second connection terminal P, or phase terminal, by a shunt circuit comprising a resistor when the frequency of the phase voltage is zero, that is, the alternator is stopped.
  • An additional connection terminal returns a diagnostic signal indicating the failure of the element 14 (which could cause the alternator to overheat).
  • FIG. 6 The schematic diagram of the synchronous rectifier bridge element 14 according to the second preferred embodiment of the invention is given in FIG. 6.
  • the charge pump 25 generating the supply voltages VH and VL comprises two diodes D1, D2 and three capacitors C3, C4, C5 whose charge in parallel and the series discharge is controlled by two N-channel MOSFET transistors M5, M6, whose grids are controlled by the outputs G1, G2 of the oscillator 26.
  • the standby circuit 27 comprises an NPN transistor Q2 acting as a switch in the supply circuit of the charge pump 25 between the first connection terminal B + and the third connection terminal B- of the synchronous rectifier bridge 14.
  • the base of this transistor Q2 is controlled by the voltage taken between the phase terminal P and the third terminal B- by the resistance bridge 28 after filtering by a capacitor C6 and cascade amplification by an NPN transistor Q1 followed by a PNP transistor Q3.
  • the synchronous rectifier bridge element according to the invention is preferably made in the form of a casing molded in IML technology (acronym for "Insulated Molded Leadframe", that is “Isolated Molded Connection Grid”). ).
  • Figure 7 shows schematically an example of integration in IML technology of the synchronous rectifier bridge element 14 according to the second embodiment of the invention, that is to say a rectifier bridge arm.
  • the metal base 29 of the overmoulded housing 30 constitutes the third connection terminal B- of the element 14 and ensures the heat dissipation.
  • the first and second connection grids 31, 32 respectively corresponding to the first and second connection terminals B +, P of the element 14 are glued to the metal base 29 by means of thermally conductive glue but electrically insulating (silicone ball glass for example).
  • the first substantially rectangular elongate connecting grid 31 supports the first MOSFET transistor 15 (or more in parallel).
  • the second substantially L-shaped connection grid 32 juxtaposed with the first connection grid 31, supports the second transistor
  • MOSFET 18 (or more in parallel), as well as an ASIC 33
  • the ASIC circuit 33 comprises the charge pump 25, the oscillator 26, the standby circuit 27 and the control circuits 23, 24 of the MOSFETs 15, 18.
  • It also preferably comprises the shunt circuit and the diagnostic circuit of the element 14.
  • the integration of the synchronous rectifier bridge element 14 in autonomous module 30 allows its encapsulation in a button element of the same a pair of diodes constituting a conventional rectifier bridge arm.
  • FIG. 8 where one skilled in the art would readily recognize the view of a face of a three-phase alternator 34 having three button members 35 typically containing a diode rectifier bridge arm, is a example of use of the synchronous rectifier bridge element according to the invention: the replacement of the old diode button elements on the alternators 34 by new elements
  • MOSFETs is completely transparent. It goes without saying that the invention is not limited to the only preferred embodiments described above, concerning the integration of a circuit equivalent to one or two rectifying diodes.
  • the invention embraces all the possible variants of implementation implementing any other type of semiconductor element having functionalities equivalent to those mentioned, possibly at the price of a permutation of the polarities of the applied voltages, insofar as these variants remain within the scope defined by the claims below.

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Abstract

L'élément de pont redresseur synchrone (14) comporte typiquement au moins des première et deuxième bornes de raccordement (B+, P), au moins un transistor à effet de champ (15) dont des électrodes de source et de drain (16, 17) sont reliées respectivement aux première et deuxième bornes (B+, P) et au moins un comparateur d'au moins une première source de tension ayant une tension de référence prédéterminée et d'au moins une première différence de tension entre des tensions appliquées aux première et deuxième bornes (B+, P) et dont une sortie est reliée à une électrode de grille (21) du transistor (15). Conformément à l'invention, l'élément (14) comporte en outre au moins une pompe de charges (25) produisant, à partir desdites tensions appliquées, au moins une tension d'alimentation (VH,VL) destinée à l'alimentation dudit au moins un comparateur.

Description

ELEMENT DE PONT REDRESSEUR SYNCHRONE, PONT REDRESSEUR SYNCHRONE CORRESPONDANT ET UTILISATION
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un élément de pont redresseur synchrone, notamment un bras de pont, ainsi qu'un pont redresseur de tension comportant une pluralité de cet élément.
L'invention concerne aussi une machine électrique tournante utilisant ce même pont redresseur.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Les ponts redresseurs à diodes, tels que celui représenté sur la Figure 1 , sont bien connus de l'état de la technique.
Les diodes utilisées dans ce type de ponts redresseurs, que ce soit des diodes à jonction, PIN, ou Schottky, présentent une chute de tension dans le sens passant non négligeable en basse tension.
Cela représente un inconvénient dans le domaine des équipements automobiles qui travaillent en basse tension. Par exemple, le rendement électrique d'un alternateur est dégradé de ce fait. Afin d'améliorer le rendement global des équipements électriques mettant en oeuvre des ponts de diodes, il est connu d'utiliser des redresseurs synchrones à interrupteurs (transistors, thyristors, triacs,...).
Le document EP1347564 décrit un pont redresseur synchrone triphasé de ce type, dont le schéma de principe est repris sur la Figure 2. Les grilles des transistors de type MOSFET canal N (transistor à effet de champ à grille isolée) ou IGBT (transistor bipolaire à porte isolée) fonctionnant en commutation sont contrôlées en fonction de la valeur absolue des différences de tensions entre phases afin de produire, en sortie du pont, une tension continue. II est aussi connu du document WO2004/034439 de piloter les
MOSFETs en mode linéaire dans l'état passant, c'est-à-dire de piloter linéairement leur résistance interne au moyen d'un asservissement de manière à simuler le comportement de diodes idéales.
Dans le document FR2884079, la société VALEO EQUIPEMENTS
ELECTRIQUES MOTEUR divulgue un procédé de commande d'un transistor MOS, destiné à être mis en œuvre dans un pont de conversion électrique
(onduleur, ou redresseur), dans le but de pallier l'accumulation des charges électriques dans le transistor responsable du retard à la commutation, qui engendre un important courant de recouvrement. Le schéma de principe du dispositif correspondant est donné sur la Figure 3. Les développements techniques rappelés ci-dessus ont conduit à une optimisation du rendement des redresseurs synchrones.
Toutefois, les transistors des redresseurs synchrones connus nécessitent un circuit d'alimentation et de commande supplémentaire, et ne peuvent se mettre en lieu et place d'une diode pour transformer un pont redresseur asynchrone en pont redresseur synchrone.
DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION
La présente invention vise donc à intégrer avec les composants de puissance leur alimentation et leur commande dans un boîtier unique, de manière à rendre possible l'utilisation d'un élément de pont redresseur synchrone en lieu et place d'une ou de plusieurs diodes.
Elle concerne précisément un élément de pont redresseur synchrone présentant au moins une première borne de raccordement, et au moins une deuxième borne de raccordement. Cet élément est du type de ceux connus en soi comprenant au moins un premier transistor à effet de champ, dont la première source et le premier drain sont reliés respectivement aux première et deuxième bornes de raccordement, et au moins un premier amplificateur opérationnel comportant une première boucle de contre-réaction, dont la première sortie est reliée à la première grille du premier transistor.
Cet amplificateur est monté en comparateur d'au moins une première source de tension ayant une tension de référence prédéterminée et d'au moins une première différence de tension entre des tensions appliquées aux première et deuxième bornes de raccordement.
L'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention est remarquable en ce qu'il comporte de plus une pompe de charges produisant au moins l'une des tensions d'alimentation du premier amplificateur à partir des tensions appliquées aux bornes de raccordement.
De préférence, la pompe de charges est commandée par un oscillateur alimenté par la pompe de charge elle-même.
L'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention comprend avantageusement un circuit de mise en veille de la pompe de charges quand la fréquence ou l'amplitude moyenne d'au moins l'une des tensions appliquées est inférieure à une valeur prédéterminée.
Selon l'invention, on tirera bénéfice d'un élément de pont redresseur synchrone comprenant au moins un second transistor à effet de champ dont la seconde source et le second drain sont reliés respectivement à la deuxième borne de raccordement et à une troisième borne de raccordement, et comprenant de plus un second amplificateur opérationnel comportant une seconde boucle de contre-réaction, alimenté au moins en partie par les tensions d'alimentation générées par la pompe de charge, et dont la seconde sortie est reliée à la seconde grille du second transistor.
Ce second amplificateur est monté en comparateur d'une seconde source de tension présentant la même tension de référence prédéterminée et d'une seconde différence de tension entre celle des tensions appliquées présente sur la deuxième borne de raccordement et celle des tensions appliquées présente sur la troisième borne de raccordement.
Dans ce mode de réalisation de l'invention, la pompe de charges est de préférence alimentée, ou non, entre les première et troisième bornes de raccordement en fonction de la valeur moyenne ou de la fréquence de celle des tensions appliquées présente sur la deuxième borne de raccordement. Alternativement ou simultanément, la deuxième borne de raccordement de l'élément est avantageusement reliée à la troisième borne de raccordement par un circuit de shunt, comprenant une résistance, quand la fréquence de celle des tensions appliquées présente sur la deuxième borne est nulle.
L'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention comporte de préférence une borne de raccordement supplémentaire présentant un signal de diagnostic indiquant une défaillance de cet élément.
Conformément au but de l'invention, l'élément de pont redresseur synchrone est réalisé fort avantageusement sous la forme d'un boîtier surmoulé, présentant un fond métallique relié à la deuxième ou troisième borne de raccordement, et une, ou des grilles de connexion isolées reliées à la première borne de raccordement et supportant le premier transistor, ou aux première et deuxième bornes de raccordement et supportant les premier et second transistors.
De préférence, le premier amplificateur et/ou le second amplificateur, la pompe de charges, et/ou l'oscillateur, et/ou le circuit de mise en veille, et/ou le circuit de shunt, et/ou le circuit de diagnostic sont réalisés sous la forme d'un ou de plusieurs circuits ASIC (type de circuit intégré à application spécifique), préférentiellement un seul circuit ASIC.
L'invention concerne aussi un pont redresseur synchrone remarquable en qu'il est constitué par un ou plusieurs éléments de pont redresseur ayant les caractéristiques ci-dessus, ainsi qu'une machine électrique tournante de type génératrice incorporant au moins un tel pont redresseur synchrone.
Ces quelques spécifications essentielles auront rendu évidents pour l'homme de métier les avantages apportés par l'élément de pont redresseur synchrone, le pont redresseur correspondant et son utilisation par rapport à l'état de la technique antérieur.
Les spécifications détaillées de l'invention sont données dans la description qui suit en liaison avec les dessins ci-annexés. Il est à noter que ces dessins n'ont d'autre but que d'illustrer le texte de la description et ne constituent en aucune sorte une limitation de la portée de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La Figure 1 montre le schéma de principe classique d'un pont redresseur triphasé asynchrone à diodes connu de l'état de la technique.
La Figure 2 montre le schéma de principe d'un pont redresseur synchrone triphasé utilisant des transistors en commutation connu de l'état de la technique.
La Figure 3 montre le schéma de principe d'un dispositif de commande d'un transistor MOS connu de l'état de la technique, et déjà mis en œuvre dans un pont de conversion électrique.
La Figure 4 représente le schéma synoptique d'un premier mode de réalisation préféré de l'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention.
La Figure 5 représente le schéma synoptique d'un second mode de réalisation préféré de l'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention. La Figure 6 représente le schéma de principe du second mode de réalisation préféré de l'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention.
La Figure 7 montre schématiquement la structure d'un circuit intégré correspondant au second mode de réalisation préféré de l'invention. La Figure 8 est une vue schématique d'une machine électrique tournante triphasée incorporant un pont redresseur constitué de trois éléments de pont selon le second mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES DE L'INVENTION
Le rappel des grandes étapes de l'évolution de l'état de la technique des ponts redresseurs illustrées par les dispositifs schématisés sur les Figures 1 , 2 et 3 permettra de bien comprendre l'apport de l'invention représentée de manière synoptique sur les Figures 4 et 5. La Figure 1 montre un pont redresseur triphasé 1 produisant une tension continue positive B+ par rapport à la masse à partir des tensions alternatives aux bornes P1 ,P2,P3 des enroulements 2 d'un alternateur triphasé.
Dans le domaine de l'automobile, l'alternateur fonctionne à basse tension de manière à fournir, après redressement, une tension continue B+ de l'ordre de 14V alimentant la batterie et le réseau de bord. La chute de tension aux bornes des diodes dans le sens passant, de l'ordre de 0,7V, entraîne dans le circuit d'alimentation une importante chute de tension relative de l'ordre de 10%.
Dans le pont redresseur synchrone représenté sur la Figure 2, les diodes 1 du montage précédent sont replacées par des transistors MOSFET canal N 3 fonctionnant en commutation. La très faible résistance des transistors MOSFET 3 à l'état passant n'entraîne dans le circuit des enroulements de phases 2 que des chutes de tension supplémentaires de l'ordre de quelques dizaines de millivolts. Dans l'étape de l'évolution de la technique illustrée par le dispositif représenté sur la Figure 2, les transistors MOSFET 3 sont commandés en « tout » ou « rien » par des tensions de commutation appliquées sur leurs grilles 4 par des circuits de commande 5 fonctionnant de manière binaire.
L'amélioration suivante a consisté à remplacer les circuits de commande 5 en mode binaire par des circuits de pilotage 6 des transistors MOSFET en mode linéaire, tels que celui représenté sur la Figure 3, de manière, soit à rendre constante la tension Vds entre drain D1 et source S1 , soit à minimiser l'accumulation de charges pendant l'état passant.
Pour ce faire, le circuit de pilotage 6 en mode linéaire comprend un amplificateur opérationnel 7 monté en comparateur d'une source de tension de référence Uref et de la tension drain-source Vds, et dont la sortie 8 est reliée par une résistance R" à la grille 9 du MOSFET 10. L'amplificateur opérationnel 7 comporte une boucle de contre-réaction constituée par un circuit RC. L'amplificateur opérationnel 7 est alimenté par des sources de tension connectées à sa borne d'alimentation positive V+ et à sa borne d'alimentation négative V- ayant des niveaux suffisants, par rapport aux potentiels de drain D1 et de source S1 , pour que la tension de sortie commande efficacement la grille 9 du transistor MOSFET canal N 10.
La nécessité de pourvoir les circuits de commande 5 ou de pilotage 6 en alimentations électriques appropriées est précisément l'inconvénient des dispositifs représentés sur les Figures 2 et 3 par rapport au montage de la
Figure 1 : les transistors MOSFET 3,10 ne peuvent pas remplacer simplement les diodes redresseuses 1.
Dans un premier mode de réalisation préféré, dont la Figure 4 est un schéma synoptique, l'invention consiste donc à prévoir l'alimentation V+,V- du circuit de pilotage 6 en mode linéaire du transistor MOSFET canal N 10, ou de plusieurs en parallèle, à partir de la tension aux bornes D1 ,S1 de celui- ci.
Le montage possédant une alimentation autonome, il constitue un élément de pont redresseur synchrone 1 1 entre une première borne de raccordement D1 et une seconde borne de raccordement S1 qui remplace de manière transparente une diode redresseuse dont l'anode serait la première borne D1 , et la cathode la seconde borne S1.
Une pompe de charges 12 en parallèle sur les bornes de raccordement D1 , S1 génère les tensions d'alimentation haute VH et basse VL requises par l'amplificateur opérationnel 7 du circuit de pilotage 6.
La pompe de charges 12 est commandée par un oscillateur 13, lui- même alimenté par les tensions VH, VL générées.
Un second mode de réalisation préférée de l'invention est un élément de pont redresseur synchrone 14, dont la Figure 5 donne le schéma synoptique, remplaçant de manière transparente un bras de pont redresseur asynchrone à diodes, tel que celui représenté sur la Figure 1.
L'élément 14 comporte donc trois bornes de raccordement : une première borne de raccordement B+ correspondant au pôle positif du pont redresseur, une deuxième borne P reliée à l'une des phases de l'alternateur, et une troisième borne B- qui est généralement à la masse.
De manière analogue au montage de remplacement d'une diode unique, le montage de remplacement du bras de pont à diode comprend un premier transistor MOSFET canal N 15, ou plusieurs en parallèle, dont le drain 16 est connecté à la première borne de raccordement B+, et dont la source 17 est connectée à la deuxième borne de raccordement P.
Il comprend de plus un second transistor MOSFET canal N 18, ou plusieurs en parallèle, dont le drain 19 est connecté à la deuxième borne de raccordement P, et dont la source 20 est connectée à la troisième borne de raccordement B-.
Les grilles 21 , 22 des premier et second transistors MOSFET 15, 18 sont pilotées chacune par un circuit de pilotage 23, 24 tel que celui représenté sur la Figure 3.
Les circuits de pilotage 23, 24 sont alimentés par une pompe de charges 25 générant des tensions d'alimentation haute VH et basse VL à partir de la tension entre la première B+ et troisième borne B-.
La tension d'alimentation haute VH alimente la borne d'alimentation positive V+ du premier circuit de pilotage 23, dont la borne d'alimentation négative V- est connectée à la deuxième borne de raccordement P.
La tension d'alimentation basse VL alimente la borne d'alimentation positive V+ du second circuit de pilotage 24, dont la borne d'alimentation négative V- est connectée à la troisième borne de raccordement B-. Cette pompe de charges 25 est commandée par un oscillateur 26 alimenté lui-même par les tensions d'alimentation VH, VL générées.
Un circuit de mise en veille 27 de la pompe de charges 25 entre en fonction selon l'amplitude moyenne de la tension prélevée par un pont de résistances 28 entre la deuxième borne de raccordement P, c'est-à-dire la borne de phase, et la troisième borne de raccordement B-, c'est-à-dire, en général, la masse.
Quand l'amplitude moyenne est inférieure à une valeur prédéterminée, le circuit de mise en veille 27 isole la pompe de charges 25 de la première borne B+. Cette protection en sous-tension permet de désactiver le redressement synchrone si la tension aux bornes de l'alternateur ne suffit pas à assurer une commande correcte des transistors 15,18, ce qui pourrait entraîner leur destruction.
L'arrêt de la pompe de charges 25 est aussi avantageusement déclenché quand la fréquence de la tension de phase est inférieure à une fréquence minimale.
Dans ce cas, l'élément de pont redresseur synchrone 14 se comporte en pont de diodes classique grâce aux diodes parasites des transistors MOSFET 15,18.
De préférence, les circuits de pilotage 23, 24 des transistors MOSFET assurent la mise à la masse de la deuxième borne de raccordement P, ou borne de phase, par un circuit shunt comprenant une résistance lorsque la fréquence de la tension de phase est nulle, c'est-à-dire que l'alternateur est à l'arrêt.
Une borne de raccordement supplémentaire renvoie un signal de diagnostic indiquant la défaillance de l'élément 14 (qui pourrait entraîner une surchauffe de l'alternateur).
Le schéma de principe de l'élément de pont redresseur synchrone 14 selon le second mode de réalisation préféré de l'invention est donné sur la Figure 6. Le détail des circuits de pilotage 23,24, connu en soi, n'appelle pas de commentaire particulier.
La pompe de charges 25 générant les tensions d'alimentation VH et VL comprend deux diodes D1 ,D2 et trois condensateurs C3,C4,C5 dont la charge en parallèle et la décharge en série est contrôlée par deux transistors MOSFET canal N M5,M6, dont les grilles sont pilotées par les sorties G1 ,G2 de l'oscillateur 26.
Le circuit de mise en veille 27 comprend un transistor NPN Q2 jouant le rôle d'interrupteur dans le circuit d'alimentation de la pompe de charges 25 entre la première borne de raccordement B+ et la troisième borne de raccordement B- de l'élément de pont redresseur synchrone 14.
La base de ce transistor Q2 est commandée par la tension prélevée entre la borne de phase P et la troisième borne B- par le pont de résistances 28 après filtrage par une capacité C6 et amplification en cascade par un transistor NPN Q1 suivi d'un transistor PNP Q3.
L'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention est de préférence réalisé sous la forme d'un boîtier surmoulé en technologie IML (acronyme anglais de « Insulated Molded Leadframe », c'est-à-dire « Grille de connexion Moulée Isolée »).
La Figure 7 représente schématiquement un exemple d'intégration en technologie IML de l'élément de pont redresseur synchrone 14 selon le second mode de réalisation de l'invention, c'est-à-dire un bras de pont redresseur.
Le fond métallique 29 du boîtier surmoulé 30 constitue la troisième borne de raccordement B- de l'élément 14 et assure la dissipation thermique.
Les première et seconde grilles de connexion 31 ,32 correspondant respectivement aux première et deuxième bornes de raccordement B+,P de l'élément 14 sont collées sur le fond métallique 29 à l'aide de colle thermiquement conductrice mais électriquement isolante (silicone à billes de verre par exemple).
La première grille de connexion 31 de forme allongée, sensiblement rectangulaire, supporte le premier transistor MOSFET 15 (ou plusieurs en parallèle).
La seconde grille de connexion 32, sensiblement en forme de L, juxtaposée à la première grille de connexion 31 , supporte le second transistor
MOSFET 18 (ou plusieurs en parallèle), ainsi qu'un circuit ASIC 33
(acronyme anglais de « Application Spécifie Integrated Circuit », c'est-à-dire « Circuit Intégré à Application Spécifique »).
Le circuit ASIC 33 comprend la pompe de charge 25, l'oscillateur 26, le circuit de mise en veille 27 et les circuits de pilotage 23,24 des MOSFETs 15,18.
Il comprend aussi de préférence le circuit de shunt et le circuit de diagnostic de l'élément 14.
L'intégration de l'élément de pont redresseur synchrone 14 dans module autonome 30 permet son encapsulation en élément bouton de la même manière qu'une paire de diodes constituant un bras de pont redresseur classique.
De ce fait, la vue de la Figure 8, où l'homme de métier croirait reconnaître facilement la vue d'une face d'un alternateur triphasé 34 présentant trois éléments boutons 35 contenant classiquement chacun un bras de pont redresseur à diode, est un exemple d'utilisation de l'élément de pont redresseur synchrone selon l'invention : le remplacement des anciens éléments boutons à diodes sur les alternateurs 34 par de nouveaux éléments
35 à MOSFETs est totalement transparente, Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seuls modes d'exécution préférentiels décrits ci-dessus, concernant l'intégration d'un circuit équivalent à une ou deux diodes redresseuses.
Une description analogue pourrait porter sur des éléments de pont redresseur synchrone équivalents à un nombre de diodes supérieur à deux. De plus, les types particuliers des éléments à semi-conducteur précisés ci-dessus, c'est-à-dire MOSFET canal N, transistors PNP ou NPN, ne sont donnés qu'à titre d'exemple.
L'invention embrasse toutes les variantes possibles de réalisation mettant en œuvre tout autre type d'élément à semi-conducteur présentant des fonctionnalités équivalentes à ceux cités, au prix éventuellement d'une permutation des polarités des tensions appliquées, dans la mesure où ces variantes restent dans le cadre défini par les revendications ci-après.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Elément de pont redresseur synchrone (1 1 ,14) présentant au moins une première borne de raccordement (D1 ,B+), et au moins une deuxième borne de raccordement (S1 ,P), ledit élément (11 ,14) étant du type de ceux comprenant au moins un premier transistor à effet de champ (10,15) dont la première source (10a,16) et le premier drain (10b, 17) sont reliés respectivement auxdites au moins première et deuxième bornes (D1 ,B+;S1 ,P), et au moins un premier amplificateur opérationnel (7,U1 A), comportant une première boucle de contre-réaction (R,C;R3,C1 ), monté en comparateur d'au moins une première source de tension (Uref.Vref) ayant une tension de référence prédéterminée et d'au moins une première différence de tension (Vds) entre des tensions appliquées auxdites au moins première et deuxième bornes (D1 ,B+;S1 ,P), et dont la première sortie (8) est reliée à la première grille (9,21 ) dudit au moins premier transistor (10,15), caractérisé en ce que ledit élément (11 ,14) comporte de plus une pompe de charges (12,25) produisant au moins l'une des tensions d'alimentation (VH, VL) dudit premier amplificateur (7,U1 A) à partir desdites tensions appliquées.
2) Elément de pont redresseur synchrone (11 ,14) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite pompe de charges (12,25) est commandée par un oscillateur (13,26) alimenté par ladite pompe de charge (12,25).
3) Elément de pont redresseur synchrone (1 1 ,14) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de mise en veille (27) de ladite pompe de charge (25) quand la fréquence ou l'amplitude moyenne d'au moins l'une desdites tensions appliquées est inférieure à une valeur prédéterminée.
4) Elément de pont redresseur synchrone (1 1 ,14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un second transistor à effet de champ (18) dont la seconde source (19) et le second drain (20) sont reliés respectivement à ladite deuxième borne (P ) et à une troisième borne de raccordement (B-), et un second amplificateur opérationnel (U1 B), alimenté au moins en partie par les tensions d'alimentation (VH, VL) générées par ladite pompe de charges (25), comportant une seconde boucle de contre-réaction (R4,C2), monté en comparateur d'une seconde source de tension (Vref) présentant ladite tension de référence prédéterminée et d'une seconde différence de tension entre celle desdites tensions appliquées présente sur ladite deuxième borne (P) et celle desdites tensions appliquées présente sur ladite troisième borne (B-), et dont la seconde sortie est reliée à la seconde grille (22) dudit second transistor (18).
5) Elément de pont redresseur synchrone (14) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pompe de charges (25) est alimentée, ou non, entre lesdites première et troisième bornes (B+, B-) en fonction de la valeur moyenne ou de la fréquence de celle desdites tensions appliquées présente sur ladite deuxième borne (P).
6) Elément de pont redresseur synchrone (14) selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite deuxième borne (P) est reliée à ladite troisième borne (B-) par un circuit de shunt, comprenant une résistance, quand la fréquence de celle desdites tensions appliquées présente sur ladite deuxième borne (P) est nulle.
7) Elément de pont redresseur synchrone selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une borne de raccordement supplémentaire présentant un signal de diagnostic indiquant une défaillance dudit élément.
8) Elément de pont redresseur synchrone (1 1 ,14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un boîtier surmoulé (30), présentant un fond métallique (29) relié à ladite deuxième borne (S1 ) ou ladite troisième borne (B-), et une, ou des grilles de connexion isolées (31 ,32) reliées à ladite première borne (D1 ), et supportant ledit premier transistor (10), ou auxdites première et deuxième bornes (B+, P), et supportant lesdits premier et second transistors (15,18).
9) Elément de pont redresseur synchrone (1 1 ,14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit premier amplificateur (7,U1 A) et/ou ledit second amplificateur (U1 B), ladite pompe de charges (12,25), et/ou ledit oscillateur (13,26), et/ou ledit circuit de mise en veille (27), et/ou ledit circuit de shunt, et/ou ledit circuit de diagnostic sont réalisés sous la forme d'un ou de plusieurs circuits ASIC (33), de préférence un seul circuit ASIC (33).
10) Pont redresseur synchrone constitué par un ou plusieurs éléments de pont redresseur (1 1 ,14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 précédentes.
1 1 ) Machine électrique tournante (34) de type génératrice incorporant au moins un pont redresseur synchrone selon la revendication 10 précédente.
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